BR102013025443A2 - Bomba analitica de precisão - Google Patents

Abstract

Bomba analitica de precisão, de vazão contínua,programável e sem pulsação, movimenta líquidos e soluções, sem tempo morto de recarga, para aplicação em análise química instrumental (tituladores, analisadores em fluxo continuo, cromatógrafos líquidos de baixa pressão, espectrômetros de massa); em linhas de processo de produtos farmacêuticos e de química fina; em clínicas e hospitais, para infusão controlada de medicamentos. E composta por um motor elétrico de micro-passo (1), que aciona um eixo tubular de deslocamento linear (2), acoplado a dois êmbolos simetricamente opostos (3), que penetram duas câmaras volumétricas de volume variável (4), simetricamente opostas e coaxiais ao dito eixo, com antecâmaras (5) dispostas entre tais câmaras e o motor, envolvendo a região de movimentação dos ditos êmbolos. As referidas câmaras são dotadas de conexões para válvulas (6) de controle direcional de vazão.a parede interna das câmaras se ajusta aos êmbolos por anéis de vedação (7).o dito eixo, vazado no sentido do comprimento, permite a comunicação entre as antecâmaras. Um circuito eletrônico digital monitora a operação da bomba, limita o deslocamento dos êmbolos, por sensores (8), e faz a comunicação com o operador, por teclado e mostrador de cristal líquido, e com um computador, por porta serial.

Description

“BOMBA ANALÍTICA DE PRECISÃO”.

Diz respeito este pedido de Patente de Invenção a uma bomba de precisão para líquidos, para instrumentação analítica, entre outras aplicações, que aplica o conceito inovador de câmaras volumétricas opostas e coaxiais com êmbolos acionados por atuador linear, e associa as vantagens tradicionais das bombas de precisão às características inovadoras de um instrumento que pode ser utilizado sem as restrições operacionais encontradas nos equipamentos convencionais.

As bombas de deslocamento positivo dispensam volumes com precisão melhor que 1%, independentemente da pressão de alimentação. Os desafios são o controle das dimensões da cavidade de geometria variável, a eficiência das vedações, a durabilidade das superfícies em contato, a minimização do volume morto, a eliminação das pulsações e do tempo de recarga. São usadas em aplicações laboratoriais, de análise e síntese, e em processos industriais, sempre que vazões e volumes precisos de líquidos são requeridos. A movimentação do fluído é causada pela ação mecânica do agente de impulsão, que força o fluído, por compressão, a ocupar e desocupar cavidades de geometria variável, na mesma direção da força a ele transmitida. Podem ser alternativas (pistão, diafragma, membrana) ou rotativas (engrenagens, lóbulos, palhetas, helicoidais, fusos, parafusos, peristálticas).

As bombas de diafragma [1] pulsam uma membrana flexível, que constitui um dos lados da câmara de volume variável, deslocando líquido a cada movimento, com vazão pulsada. Podem ser acionadas por solenóide, por meios mecânicos ou hidráulicos e o sentido do fluxo é controlado por válvulas direcionais. As bombas de pistão [2] operam pelo movimento alternativo de um pistão num cilindro, usualmente dotado de válvulas direcionais, e o fluxo pulsante é atenuado por amortecedores elásticos e/ou alternância entre vários pistões. Com precisão e repetitividade, são usadas quando altas pressões são necessárias, como nos cromatógrafos líquidos do tipo HPLC. As vazões típicas vão de 0,04 a 1,3 L/min, atingindo pressão de até 345 bar e várias opções de controle e automação, como manual, analógico, assistido por computador ou PLC, via RS-232.

As bombas peristálticas [3] comprimem um ou mais tubos no sentido do movimento do fluido, por roletes ou hastes móveis, em regime contínuo, com carga e descarga simultâneas. Atingem vazões de 0.6 pL/min a 45 L/min e pressões de 2 a 8,6 bar, com precisão entre 1 e 3%, podendo ser operadas manualmente ou assistidas por computador ou PLC. Têm custo elevado e exigem manutenção constante dos tubos. São as mais utilizadas na movimentação de soluções em sistemas de análise em fluxo (FIA) [4,5], em que a introdução rápida da amostra em fluxo de solução carregadora, que encontra fluxo(s) de reagente(s) confluente(s), gera sinais transientes para um detector em linha. Alguns detectores são sensíveis à vazão, casos em que a pulsação provocada pela alternância entre os roletes (ou fingers) das bombas peristálticas comumente usadas torna-se limitante. A pulsação gera ruído de linha base, como nos sistemas miniaturizados com detecção eletroquímica e pFIA, que recebem amortecedores para reduzir a interferência.

As bombas de seringa [6] operam entre 1 nL/min e 150 mL/min, com ótima repetitividade e precisão melhor que 0,1%, a pressões de até 200 bar, com opções de controle manual, analógico, por computador ou PLC. Proporcionam vazões constantes ou gradientes programados, sem pulsação, mas com interrupções freqüentes para recarga. São utilizadas em tituiadores, cromatógrafos líquidos, dispensadores e espectrômetros de massa, para introdução de volumes precisos de amostras e reagentes, enquanto a indústria farmacêutica e a de Química Fina as empregam em micro-reatores e dosadores de linhas de processo.

Tituladores automáticos são amplamente utilizados em laboratórios químicos e clínicos, em análises de rotina. A titulação [7] é um procedimento de determinação quantitativa de uma espécie química em solução, pela adição de um reagente de concentração conhecida, em reação de estequiometria reprodutível. A Cromatografia Líquida [8] explora a migração diferencial dos componentes de uma amostra por múltiplas etapas de equilíbrio físico-químico entre uma fase móvel líquida e uma fase estacionária, que pode ser líquida, suportada por um sólido finamente dividido, ou sólida, na mesma condição. A fase móvel pode ser bombeada a baixa pressão (LPLC), tipicamente menor que 13 bar, ou alta pressão (HPLC), em que a pressão pode atingir 400 bar. A LPLC é de uso difundido em pesquisa biomolecular, como estudos de proteínas e anticorpos monoclònais, onde pressões elevadas danificariam os analitos. É comum o uso de bombas de seringa em sistemas LPLC, pela ausência de pulsações. A Cromatografia de Fluido Super Crítico (CFSC) [9] é uma técnica [intermediária entre a cromatografia líquida e a gasosa, em que a fase móvel é um gás (usualmente C02) aquecido a temperatura acima de sua temperatura crítica e comprimido a pressão acima da sua pressão crítica, simultaneamente, tornando-se um fluido com propriedades diferenciadas das fases líquida e gasosa. A CFSC é aplicada a amostras termicamente instáveis, de alto peso molecular, e permite separações eficientes e rápidas. Os cromatógrafos supercríticos assemelham-se aos líquidos e, usuaalmente, uma bomba de seringa adequada a pressões mais altas substitui a de pistões alternativos.

As bombas de seringa podem funcionar com seringas, conexões e tubos descartáveis e, por isso, clínicas e hospitais as utilizam como equipamento padrão para infusão de medicamentos na corrente sanguínea de pacientes. Suas desvantagens são a necessidade de interromper o fluxo para recarga, o grande volume de líquido necessário para lavagem, quando não é utilizado material descartável, e o desgaste das superfícies de contato, por abrasão.

Os motores de micro-passo, assistidos por drivers específicos, são fabricados em diferentes tamanhos e potências, e o deslocamento linear confere alta potência a motores de pequenas dimensões físicas e pouco peso, com movimentos precisos e de ótima repetitividade, não gera pulsação, e dispensa mecanismos de conversão mecânica (rotação/translação), origem de perda de potência e folgas (backlash), que comprometem a precisão [10]. O produto proposto é uma bomba de precisão, composta por um atuador linear com motor de micro-passo (1), com eixo (2) com rotação travada, em cujas extremidades são conectados dois êmbolos coaxiais (3), que penetram duas câmaras volumétricas (4), sem contato direto com as paredes internas destas, com vedação por anéis estanques (7) e movimento linear alternativo controlado por sensores de posição (8). O fluido bombeado acessa as câmaras por conexões com tubos flexíveis e válvulas de controle direcional (6). Numa construção preferencial, duas antecâmaras (5), interconectadas por duto interno ao eixo, dispõem-se ao longo do curso dos êmbolos, cobrindo toda a extensão dos mesmos entre as câmaras e o motor. O eixo que impulsiona os êmbolos pode ser o próprio eixo do motor ou montado paralelamente ao mesmo. A adoção de câmaras opostas e simétricas, operadas por eixo comum, permite o enchimento de uma enquanto a outra é evacuada, eliminando o tempo morto de recarga e as interrupções obrigatórias, que comprometem algumas aplicações, justamente das bombas de maior precisão. O uso de válvulas inertes, sem volume morto e resposta rápida possibilita inverter o sentido de movimento dos êmbolos, entre um passo e outro do motor, sem alteração na vazão do líquido bombeado. A comunicação entre as antecâmaras objetiva transferir a atmosfera interna saturada reciprocamente, conforme a variação de pressão causada pelo recuo de um êmbolo e avanço do outro, com a finalidade de equilibrar a pressão interna, sem troca gasosa com a atmosfera, e impedir a secagem das superfícies molháveis, o que evita a formação de micro-cristais de solutos não voláteis e a conseqüente abrasãò, causadora de riscos superficiais e perda de estanqueidade.

Os êmbolos e câmaras podem ser fabricados de vários materiais compatíveis com o fluido, com destaque para polímeros inertes, metal revestido com PTFE, materiais cerâmicos e vidro calibrado, sempre considerando as pressões operacionais previstas. O distanciamento mínimo entre as paredes móveis, sem contato direto, elimina o atrito, assegura longevidade aos componentes e preserva tratamentos superficiais. A disposição horizontal do conjunto posiciona as conexões de acesso às câmaras na vertical, para cima, tornando automática a eliminação de bolhas de ar, difíceis de eliminar nas bombas convencionais. O reduzido espaço vazio entre êmbolos e paredes internas das câmaras, e o posicionamento das conexões para as válvulas (junto aos anéis de vedação, na construção com antecâmaras) força o fluido a passar por toda a extensão lateral das superfícies molháveis, para chegar pu sair da extremidade da câmara, onde se cria a variação de volume. Esse fato permite reduzir o consumo de volume de líquido usado na lavagem da bomba, ao contrário dos sistemas convencionais, que requerem a repetição da operação com enchimento total, ou desmontagem. A Figura 1 mostra uma construção preferencial, aplicável às bombas cuja operação demanda frequentes trocas de líquido bombeado e repetidas lavagens. A Figura 2 ilustra uma segunda construção preferencial, aplicável a operação dedicada, sem necessidade de lavagens freqüentes, sem antecâmaras, mais compacta e passível de montagem estratégica no topo do frasco reservatório. O volume da câmara localizado entre o pistão e o motor é estanque e tem a mesma funcionalidade da antecâmara.

Um circuito eletrônico digital comanda as válvulas e o motor, através de driver específico. Sensores de pressão e temperatura podem ser instalados, preferencialmente junto às conexões de acesso à câmaras. Um teclado de membrana e um mostrador LCD são as interfacés com o usuário. É prevista a instalação de comunicação serial para comando por computador.

Claims (8)

1) “BOIVIBA ANALÍTICA DE PRECISÃO”, instrumento para propulsão de líquijdos, particularmente aplicável a instrumentação analítica, controle de processo industrial químico e farmacêutico e infusão ambulatorial, caracterizada pelo fato de apresentar dois êmbolos opostos, simétricos e coaxiais (3), impulsionados por eixo comum, de movimento linear alternativo (2).

2) “BOI\/IBA ANALÍTICA DE PRECISÃO”, instrumento para propulsão de líquidos, particularmente aplicável a instrumentação analítica, controle de processo industrial químico e farmacêutico e infusão ambulatorial, caracterizada pelo fato de apresentar, conforme reivindicação 1, duas câmaras volumétricas de volume variável (4), opostas, simétricas e coaxiais.

3) “BOMBA ANALÍTICA DE PRECISÃO”, instrumento para propulsão de líquidos, particularmente aplicável a instrumentação analítica, controle de processo industrial químico e farmacêutico e infusão ambulatorial, caracterizada pelo fato de apresentar, conforme reivindicação 1, antecâmaras tubulares (5), contíguas às ditas câmaras.

4) “BOMBA ANALÍTICA DE PRECISÃO”, instrumento para propulsão de líquidos, particularmente aplicável a instrumentação analítica, controle de processo industrial químico e farmacêutico e infusão ambulatorial, caracterizada pelo fato de apresentar, conforme reivindicação 1, atuador linear constituído por motor elétrico de micropasso (1), que move o dito eixo.

5) “BOMBA ANALÍTICA DE PRECISÃO”, instrumento para propulsão de líquidos, particularmente aplicável a instrumentação analítica, controle de processo industrial químico e farmacêutico e infusão ambulatorial, caracterizada pelo fato de apresentar, conforme reivindicação 1, válvulas direcionais (6) para controle de entrada e saída de líquidos das ditas câmaras.

6) “BOMBA ANALÍTICA DE PRECISÃO”, instrumento para propulsão de líquidos, particularmente aplicável a instrumentação analítica, controle de processo industrial químico e farmacêutico e infusão ambulatorial, caracterizada pelo fato de apresentar, conforme reivindicações 1 e 2, comunicação entre as ditas antecâmaras.

7) “BOMBA ANALÍTICA DE PRECISÃO”, instrumento para propulsão de líquidos, particularmente aplicável a instrumentação analítica, controle de processo industrial químico e farmacêutico e infusão ambulatorial, caracterizada pelo fato de apresentar, conforme reivindicações 1 e 6, comunicação por canal passante pelo dito eixo.

8) “BOMBA ANALÍTICA DE PRECISÃO”, instrumento para propulsão de líquidos, particularmente aplicável a instrumentação analítica, controle de processo industrial químico e farmacêutico e infusão ambulatorial, caracterizada pelo fato de apresentar, conforme reivindicações 1 e 6, comunicação por duto externo às ditas antecâmaras.